ESTUDO DE CASO

Duplo digital para tratamento térmico

Para agilizar as operações e minimizar o risco de erros, a SECO/WARWICK implementou as soluções digitais twin da Siemens.

O processo de tratamento térmico dos metais é excepcionalmente complexo do ponto de vista tecnológico. Requer a manutenção de parâmetros operacionais adequados, bem como condições de segurança específicas. Isto coloca desafios significativos para os fabricantes de fornos industriais modernos. Para minimizar o risco de potenciais erros e melhorar os processos de produção e montagem no local, o Grupo SECO/WARWICK utiliza soluções baseadas num gémeo digital fornecido pela Siemens.

A SECO/WARWICK é um fabricante de fornos tecnologicamente avançados para tratamento térmico de metais, concebidos e produzidos de acordo com as necessidades individuais dos clientes. Um fator chave na seleção da tecnologia do forno e das soluções técnicas é a cobrança do cliente (carga de trabalho), ou seja, o produto metálico a ser tratado termicamente. Com base nisto, selecionam-se a tecnologia, o processo e a receita adequados, que influenciam o nível de complexidade do equipamento e dos sistemas de controlo. O tipo de tecnologia de tratamento térmico também determina a seleção de medidas de segurança que protegem os funcionários de riscos potenciais.

“Para um engenheiro de automação envolvido no projeto de fornos, é crucial um conhecimento profundo da tecnologia e dos parâmetros do processo, bem como a consciência dos riscos potenciais. Por exemplo, os fornos de tratamento térmico a vácuo são programados de forma bastante diferente dos equipamentos utilizados para processamento de alumínio ou metalurgia a vácuo, apesar de terem uma estrutura de hardware semelhante. Compreender a tecnologia permite antecipar riscos potenciais e implementar salvaguardas apropriadas,”
enfatiza Sławomir Wachowski, Diretor da Divisão de Automação da SECO/WARWICK.

A SECO/WARWICK é um fabricante de fornos tecnologicamente avançados para o tratamento térmico de metais.

O gémeo digital suporta modelação e teste

Para agilizar o trabalho e minimizar o risco de erros, a SECO/WARWICK decidiu usar soluções digitais gémeas fornecidas pela Siemens. A empresa utiliza, entre outros, o software SIMIT para criar modelos digitais de vácuo, atmosfera e fornos de fusão. Esta ferramenta também é usada para testar sistemas de automação antes que o software seja entregue para comissionamento. A empresa também usa a Unidade SIMIT para apoiar o processo de produção e configuração de gabinetes de controle através de simulação completa de testes de gabinete de hardware. Para modelos mais avançados, tais como sistemas de bombagem, o A plataforma de simulação Simcenter Amesim é utilizada para simular o desempenho e para auxiliar na selecção do tamanho apropriado das bombas de vácuo.

“Atualmente, nos nossos modelos simulamos vários tipos de equipamentos. A principal razão pela qual decidimos usar um gémeo digital foi a complexidade do software de controlo e a variedade de desafios que tivemos de enfrentar. Muitos destes problemas só se tornaram aparentes durante os testes e comissionamento — isto é, na fase final, quando o equipamento já tinha saído das nossas instalações,”
explica Radosław Gorowy, Engenheiro de Modelação Digital e Simulação da SECO/WARWICK.

Teste de fornalha “na mesa”

As soluções digitais gémeas utilizadas pela SECO/WARWICK permitem identificar potenciais erros e problemas já nas fases iniciais do trabalho num determinado dispositivo.

As soluções digitais gémeas utilizadas pela SECO/WARWICK permitem identificar potenciais erros e problemas já nas fases iniciais do trabalho num determinado dispositivo. Modelar e testar com o uso de software de simulação melhoram significativamente a eficiência do trabalho. Também aumentam a fiabilidade das soluções que estão a ser desenvolvidas. Como resultado, os fornos industriais para tratamento térmico de metais podem ser entregues e comissionados mais rapidamente, a um custo mais baixo e com uma mão-de-obra reduzida.

“A luta pela inovação é um fator muito importante que impulsiona o desenvolvimento da nossa empresa. A este respeito, o gémeo digital atendeu plenamente às nossas expectativas. É usado para modelar todo o equipamento que produzimos. Actualmente, temos vários modelos preparados. Inicialmente, foram criadas simulações para fornos a vácuo, nos quais agora testamos totalmente os nossos sistemas de automação. Atualmente, estamos a desenvolver modelos para fornos de processamento de alumínio e metalurgia a vácuo. Também temos a nossa primeira experiência na modelação de fornos atmosféricos, que representam um segmento importante das soluções que desenvolvemos,”
explica Sławomir Wachowski.

A SECO/WARWICK utiliza o software SIMIT, entre outras coisas, para simular sinais de entrada e saída de sistemas de controlo, fornecer simulação detalhada do comportamento do dispositivo e modelar processos utilizando bibliotecas tecnológicas dedicadas.

“Nesta solução, o SIMIT é a ferramenta chave; no entanto, para alavancar totalmente as suas capacidades, o sistema foi alargado com o PLCSIM Advanced — um emulador de controlador — e o WinCC para o painel do operador HMI. A integração com o TIA Portal torna possível modificar o programa de controlo em tempo real (Software-in-the-Loop). O modelo de simulação também pode comunicar com um controlador físico usando SIMIT UNIT (Hardware-in-the-Loop),”
explica Mariusz Waśkowicz, Especialista em Solutions de Digitalização que apoia o projeto em nome da Siemens. Os testes de equipamentos e automação são realizados literalmente “na mesa”, onde as soluções tecnológicas aplicadas são verificadas antes do comissionamento final.

“O gabinete de controlo está ligado à Unidade SIMOT e testado com esta ferramenta em termos de hardware e desempenho de medição. Isso dá-nos a confiança de que não irá gerar problemas e, se ocorrerem problemas no local, resultarão de outras causas relacionadas com a implementação física do projeto, e não dos componentes que usamos,”
explica Wojciech Piasny, Diretor Adjunto do Departamento de Automação da SECO/WARWICK.

O software digital duplo é apenas um dos muitos elementos do ecosystem da Siemens utilizados pelo fabricante. Todo o sistema de controlo baseia-se nas soluções da Siemens. O controlo do sistema é tratado pelo controlador S7-1500 juntamente com os seus módulos. A Siemens também fornece computadores industriais e painéis de toque que servem de interface de utilizador. Além disso, os sistemas de segurança são construídos com base nas soluções de segurança do fabricante. Os componentes da Siemens também são utilizados nos gabinetes de controlo, incluindo contatores, circuito

O software digital twin é apenas um dos muitos elementos do ecosystem Siemens utilizado pela SECO/WARWICK.

Os sistemas são controlados pelo controlador e módulos S7-1500.

Como é que o modelo fala com o controlador?

A modelagem tem em conta todos os processos que ocorrem no forno: bombeamento, aquecimento do forno, arrefecimento e cementação. No mundo físico, esse processo leva de várias horas a — no caso de certos dispositivos — até vários dias. Ao utilizar soluções de simulação baseadas num gémeo digital do dispositivo, isto pode ser significativamente acelerado e o forno pode ser testado de forma abrangente muito antes de a sua contraparte física ser criada. Durante a modelagem, os parâmetros digitais e analógicos, como temperatura e vácuo, são simulados. Durante os testes, é verificado o funcionamento de interruptores, contactores e outros dispositivos ligados ao gabinete de controlo, incluindo todo o sistema de segurança.

“O modelo contém uma representação digital dos componentes do dispositivo e dos componentes dentro do gabinete de controlo. Todos estes elementos devem ter um equivalente digital no SIMIT. Usando esta ferramenta, construímos uma biblioteca de componentes. Examinamos os componentes individuais do forno, a sua estrutura e depois os representamos no modelo que criamos. Com base nos diagramas elétricos, ligamos o modelo ao PLC através de entradas/saídas, permitindo-nos testar o funcionamento de programas tecnológicos individuais. Um benefício adicional é a capacidade de usar entradas/saídas disponíveis”, explica Radosław Gorowy.

A modelagem tem em conta todos os processos que ocorrem no forno: incluindo bombeamento, aquecimento do forno, arrefecimento e cementação.

A SECO/WARWICK constrói modelos concebidos para refletir a realidade o mais fielmente possível. Mas isso não é tudo, pois também são criadas simulações que geram dados sintéticos para análise. Tais simulações permitem à equipa de desenvolvimento, por exemplo, testar soluções dedicadas à plataforma FurnacePlus, que alarga a funcionalidade dos dispositivos do Grupo com sistemas preditivos e de gestão de energia. Compreender as necessidades de interface do cliente é também um aspeto importante do design da solução, uma vez que a ergonomia é crucial por razões de segurança.

“Os clientes que não têm de se preocupar excessivamente com acidentes perigosos durante a operação do forno têm necessidades diferentes daquelas quando, devido à tecnologia de processamento de material utilizada, o risco é significativo e pode ter consequências graves. Neste último caso, estamos a lidar com operadores altamente qualificados que também exigem uma interface especializada nos dispositivos que utilizam,”
notas Marek Melnarowicz, Gerente de Vendas da Siemens Polska.

As soluções de teste nas ferramentas de simulação do gémeo digital ocorrem durante a entrega do gabinete de controlo e do software. Em seguida, o departamento de montagem implementa o projeto e executa a montagem final do dispositivo. Finalmente, o departamento de serviço realiza testes físicos. A confirmação final de que o modelo adotado foi implementado corretamente é a sua verificação na instalação de destino.

“Os modelos que usamos para simulação e testes são suficientemente maduros e rápidos o suficiente para criar que praticamente nos pouparem tempo. Ainda mais importante, libertam valiosos recursos de automação, uma vez que não temos de os envolver em testes físicos do dispositivo com serviço, seja nas instalações da SECO/WARWICK ou diretamente nas instalações do cliente. O tempo gasto na preparação do modelo também compensa através de uma maior tranquilidade no que diz respeito ao trabalho de planeamento, especialmente porque cada modelo subsequente nos custa menos devido à biblioteca sucessivamente construída dos nossos próprios componentes. A economia de tempo graças ao gémeo digital é, portanto, enorme,”
explica S. Wachowski.

Mais rápido, mais seguro e mais económico

Depois de vários meses a trabalhar com o SIMIT e a Unidade SIIMT, a SECO/WARWICK vê benefícios significativos da utilização de ferramentas que fornecem soluções abrangentes para testes de automação. Entre os principais benefícios da implementação de soluções de modelagem e teste está a redução do tempo necessário para a montagem e comissionamento do forno nas instalações do cliente.

“Antes de implementar o gêmeo digital, no caso de um forno a vácuo, os testes combinados com testes tecnológicos levaram de 2 a 2,5 semanas para um técnico de serviço e 4-5 dias para um engenheiro de automação. Os testes no modelo criado reduziram a sua carga de trabalho várias vezes. Para sistemas compostos por vários ou uma dúzia de dispositivos, estes tempos são reduzidos proporcionalmente de uma média de 400-500 horas para 100-150, o que se traduz numa poupança significativa. A carga de trabalho dos instaladores elétricos também é reduzida. Custos mais baixos são importantes, mas a sensação de certeza de que o dispositivo funcionará corretamente no local não tem preço,”
explica Sławomir Wachowski.

Ao usar um gémeo digital, o forno pode ser testado de forma abrangente muito antes de o seu equivalente físico ser criado.

Modelo de nuvem

Outro benefício significativo da utilização de um gémeo digital é a qualidade superior do produto final.

Outro aspecto interessante da utilização de um gémeo digital são as suas implicações comerciais. Um modelo de forno a vácuo baseado na nuvem permite que os vendedores demonstrem o desempenho do dispositivo aos clientes atuais e novos. Outra característica inovadora é a capacidade da equipa de desenvolvimento testar soluções avançadas de gestão de dispositivos. Graças ao modelo baseado na nuvem, já não precisam de dados físicos para testar. No futuro, o Simcenter Amesim permitirá também à SECO/WARWICK criar modelos matemáticos avançados de máquinas de aprendizagem.

“Graças a trabalhar com a Amesim, conseguimos verificar com que precisão conseguimos modelar o consumo de energia, as alterações térmicas e as mudanças dinâmicas da pressão do gás. Vemos um grande potencial no Amesim para criar modelos ainda mais precisos, que podemos usar como componentes do SIMI e representar com mais precisão a realidade no mundo digital,”
diz Wojciech Piasny.

De acordo com Mariusz Waśkowicz da Siemens, um gémeo digital não só proporciona benefícios organizacionais e económicos tangíveis mas também sinaliza uma mudança na direção do desenvolvimento da automação e até influencia a formação de especialistas em automação atuais e futuros.

“A utilização de um gémeo digital permite uma training eficaz, por exemplo, para os responsáveis pela operação ou manutenção da máquina. Isto permite-lhes compreender completamente o dispositivo ou toda a linha de produção antes mesmo de interagirem com o objeto físico, aprendendo assim a operá-lo eficazmente mais rapidamente. Eles também prestarão atenção a aspectos específicos do trabalho e identificarão mais rapidamente os sintomas de possíveis falhas e, consequentemente, o tempo de inatividade da linha”, explica Mariusz Waśkowicz.

Marek Melnarowicz também nota o impacto de um gémeo digital na perceção da profissão de automação e no desenvolvimento de novas direções para a formação de especialistas em automação industrial.

“Graças à modelagem, o mundo da automação de PLC está a aproximar-se das TI. O desenvolvimento do gémeo digital significa que o mundo físico já não nos liga, e podemos trabalhar nos componentes da máquina e do dispositivo e no software que os controla antes de serem implementados em condições do mundo real”, explica Marek Melnarowicz.